Proposal of an overall control architecture for the Melissa loop

Abstract

L'objectiu d'aquesta tesis és proposar una estratègia de control pel sistema MELiSSA, que és una xarxa de compartiments interconnectats pensada per treballar en un entorn aïllat. De tots els reptes relacionats amb el disseny I l'operació del sistema MELiSSA, utilitzat en aquest estudi com un cas d'estudi d'un sistema de suport de vida bio-regeneratiu, l'estratègia de control destaca per ésser alhora remarcablement complexa però necessària. Els requeriments associats a l'operació d'un sistema de suport de vida pensat per allotjar una missió tripulada són certament exigents: Un alt grau de reciclatge, eficiència, autonomia, resiliència, fiabilitat i robustesa són algunes de les característiques assumides en el procés de disseny d'un sistema de suport de vida. Davant del repte de dissenyar un sistema que satisfaci aquests requeriments, l'estratègia de control sobresurt com un actor amb molt de pes. En l'estudi presentat, s'ha dissenyat una arquitectura de control amb una organització jeràrquica organitzada en diferents nivells: El Nivell 3 (control terciari) representa un element de supervisió que genera referències (setpoints) basats en criteris d'operació generals; El Nivell 2 (control secundari) representa un nivell corrector que adapta les referències rebudes des de control terciari d'acord amb l'estat del procés (procés entès com el conjunt de compartiments que conformen el sistema MELiSSA); El Nivell 1 (controlador primari) genera una acció de control per a ésser enviada als elements de control de cada compartiment. L'exercici de disseny d'aquesta arquitectura de control requereix de la disponibilitat de models matemàtics del sistema d'interès, que en aquest cas són els compartiments del MELiSSA, per a poder ajustar la configuració dels diferents controladors i per avaluar el comportament de l'estructura de control jeràrquic abans de la seva implementació en un sistema real. Davant d'aquesta necessitat de disponibilitat de models, s'han dedicat esforços importants en generar models matemàtics de plantes, basats en primers principis amb informació dels fluxos metabòlics i escalable a la cambra de plantes superiors de la Planta Pilot del MELiSSA. Aquest estudi proporciona una eina de simulació dinàmica i també intenta generar i transmetre el coneixement adquirit sobre les dinàmiques i el comportament d'un sistema complex com és el MELiSSA.

El objetivo de esta tesis es proponer una estrategia de control para el sistema MELiSSA, que es una red de compartimentos interconectados pensada para trabajar en un entorno aislado. De todos los retos relacionados con el diseño i la operación del sistema MELiSSA, utilizado en éste estudio como un caso de estudio de un sistema de soporte de vida bio-regenerativo, la estrategia de control destaca por ser a la vez remarcablemente compleja y necesaria. Los requisitos asociados a la operación de un sistema de soporte de vida pensado para alojar una misión tripulada son ciertamente exigentes: Un alto grado de reciclaje, eficiencia, autonomía, resiliencia, fiabilidad y robustez son algunas de las características a tener en cuenta en el proceso de diseño de un sistema de soporte de vida. Delante del reto de diseñar un sistema que pueda satisfacer estos requisitos, la estrategia de control destaca como un actor con mucha relevancia. En el estudio presentado, se ha diseñado una arquitectura de control con una organización jerárquica organizada en diferentes niveles: El nivel 3 (control terciario) representa un elemento de supervisión que genera referencias (setpoints) basados en criterios de operación generales; El nivel 2 (control secundario) representa un nivel corrector que adapta las referencia recibidas des del control terciario de acuerdo con el estado del proceso (proceso entendido como el conjunto de compartimentos que conforman el sistema MELiSSA); El nivel 1 (controlador primario) genera una acción de control para ser enviada a los elementos de control de cada compartimento. El ejercicio de diseño de esta arquitectura de control requiere de la disponibilidad de modelos matemáticos del sistema de interés, que en este caso son los compartimentos del MELiSSA, para poder ajustar la configuración de los diferentes controladores y evaluar el compartimento de la estructura de control jerárquico antes de su implementación en un sistema real. Delante de esta necesidad de disponibilidad de modelos, se han dedicado esfuerzos importantes en generar modelos matemáticos del crecimiento de plantas, basados en primeros principios con información de los flujos metabólicos i escalable a la cámara de plantas superiores de la Planta Piloto del MELiSSA. Este estudio proporciona una herramienta de simulación dinámica y también intenta generar y transmitir el conocimiento adquirido sobre las dinámicas y el comportamiento de un sistema complejo como es el MELiSSA.

An overall control strategy for the MELiSSA loop is developed. MELiSSA is a loop of interconnected compartments conceived to provide life support to humans in long-term exploration mission in Space. Out of all the challenging aspects related to the design and operation of the MELiSSA loop, used in this study as an exemplary case of a bioregenerative life support system, the control strategy stands out for being strikingly complex, but crucial. The requirements of a life support system to host a crewed mission are certainly very demanding. A high degree of circularity, efficiency, autonomy, resilience, reliability, and robustness are characteristics taken for granted in the operation of a life support system. In order to respond to the challenge of designing an engineering system to satisfy all these requirements, the control approach arises as a major key player. Here, a control architecture has been designed considering the requirements and a hierarchical structure has been configured consisting on several control levels: Level 3 (tertiary controller) represents a supervisory layer that generates setpoints based on general operation criteria; Level 2 (secondary controller) represents a corrective layer adapting the references received from the tertiary controller and the status of the process (understood as the loop of compartments); Level 1 (primary controller) that generates control commands to send to the compartments, subsystems and interfaces between compartments to track the setpoints generated in the higher layers in the hierarchy. This exercise requires the availability of mathematical models of the system of interest, in this case the MELiSSA compartments, to be able to tune the controllers and to test the overall performance of the hierarchical control structure before implementing it in a physical environment. Consequently, important efforts have been done in generating a mathematical model of higher plants, based on first-principles, embedding metabolic information and adaptable to the higher plants chamber of the MELiSSA loop. Overall, this study contributes to generate a tool for the control of the MELiSSA loop, but also with applications to perform dynamic long-term simulations of the loop, and to the knowledge generation on the dynamics and behavior of a complex system like MELiSSA.